Способ проведения тоннелей в неустойчивых водонасыщенных горных породах

 

Изобретение: проведение тоннелей в неустойчивых водонасыщенных горных породах. Сущность изобретения: предварительно осуществляют бурение скважин дистанционного контроля с одновременным отбором керна для контроля размеров льдогрунтового ограждения. В скважины устанавливают термодатчики и заливают их водой. Бурение рядов скважин дистанционного контроля осуществляют из груды забоя веерообразно и наклонно. Затем последовательно по периметру ствола в грудь забоя наклонно бурят скважины и устанавливают в каждую из них перфоррированное обсадное трубы. В последние вводят коаксиально внутренние перфорированные трубы с закрытым концом. В процессе нагнетания в них теплоносителя оттаивание и вымывания пород водой контролируют термодатчиками параметра образования полости по температурному полю льдогрунтового ограждения впереди забоя. После нагнетания закладочного материала, твердеющего при отрицательной температуре, осуществляют выемку пород. 3 ил.

Изобретение относится к горному и подземному строительству, в частности к технологии проведения тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях.

Известен способ проходки эскалаторных тоннелей метрополитенов в условиях слабоустойчивых плывунистых пород. Способ предусматривает бурение замораживающих скважин по контуру выработки параллельно продольной оси ствола на глубину толщины замораживаемого слоя плывунистых пород до вскрытия более плотного водоупорного слоя пород. В скважины по внутренней коаксиальной трубе с открытым концом, установленной на глубину меньше, чем глубина замораживающей скважины, подается хладагент, а из скважины откачивается в морозильную установку. При этом вокруг скважины образуются ледогрунтовые цилиндры и процесс замораживания происходит до тех пор, пока из цилиндров не образуется замкнутое кольцо по контуру выработки. Экспериментально установлено, что диаметр ледогрунтового цилиндра составляет 3-5 м. После образования ледогрунтового ограждения осуществляют проходку и крепление ствола традиционными способами [1] Недостатками способа является то, что в процессе замораживания плывунистых пород происходит разрушение их структуры за счет образования в порах породы льда, и вследствие этого потеря структурной прочности. Из-за этого в процессе оттаивания под совместным воздействием природного геотермического поля земли и горного давления происходит изменение объема породы за счет таяния льда и вытеснения оттаявшей воды из вмещающей породы, что и приводит к сдвижению всей покрывающей горной толщи в зоне влияния вплоть до поверхности. Деформация поверхности обычно негативно сказывается на состоянии зданий и сооружений.

Известен способ, применяемый для гидроизоляции шахтной крепи. Согласно способу, в ствол, сооруженный под защитой ледогрунтового ограждения, подается теплоноситель для оттаивания крепи и контактного слоя ледогрунтового ограждения толщиной 0,5-1 м. Сквозь крепь последовательно бурят скважины горизонтального ряда. В каждую скважину вводят трубку, по которой под давлением нагнетают воду и производят вымывание оттаявшей породы (пульпы). Вокруг скважины на контакте с крепью создают замкнутую кольцевую полость, в которую нагнетают тампонажный раствор. Образование полости за крепью и ее тампонаж раствором производят отдельными рядами скважин, перемещаясь параллельно продольно оси ствола сверху вниз [2] Способ не обеспечивает безопасность ведения горных работ при распространении его на всю толщу ледогрунтового ограждения из-за возможности прорыва плывунистых горных пород в образованные кольцевые полости под воздействием горного давления, а через них потерю устойчивости крепи и гибель выработки.

Задачей изобретения является создание технологии проведения тоннелей в сложных инженерно-геологических условиях при проходке неустойчивых водонасыщенных пород (плывунистых грунтов) с обеспечением защиты зданий и сооружений от влияния деформации поверхности от процессов сдвижения пород и охраны тоннелей от внезапных прорывов в них плывунистых грунтов при ведении горных работ.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе проведения тоннелей в неустойчивых водонасыщенных горных породах, предусматривающем сооружение ледогрунтового ограждения, бурение рядов скважин и подачу в них теплоносителя для оттаивания пород, вымывание их водой под давлением через скважины с образованием полостей, в которые производят нагнетание закладочного материала, причем ряды скважин бурят, перемещаясь параллельно продольной оси ствола в направлении сверху вниз, бурение рядов скважин осуществляют из груди забоя веерообразно и наклонно диаметром алмазного бурения с одновременным отбором керна для визуального контроля размеров ледогрунтового ограждения, в скважины устанавливают термодатчики дистанционного контроля и заполняют скважины водой, затем последовательно по периметру ствола в грудь забоя бурят наклонно скважины нефтяного диаметра и устанавливают в каждой из них перфорированные обсадные трубы, причем в них вводят коаксиально внутренние перфорированные трубы с закрытым нижним концом, при этом в процессе оттаивания и вымывания пород водой контролируют термодатчиками размеры образованной полости по температурному полю ледогрунтового ограждения впереди забоя.

На фиг.1 изображена схема расположения пробных скважин в стволе, разрез по А-А; на фиг.2 схема расположения закладки скважин, разрез по Б-Б; на фиг. 3 схема установки наклонных скважин нефтяного диаметра, разрез по В-В.

Способ осуществляют следующим образом. Используя известный способ замораживания, образуют ледопородное ограждение 1 и приступают к проходке участка ствола над зоной, состоящей из обводненных слабоустойчивых горных пород 2 с одновременным возведением крепи 3. При подходе горных работ к этой зоне из груди забоя в зону бурят веерообразно пробные наклонные скважины 4 диаметром алмазного бурения с одновременным отбором керна для визуального контроля размеров ледогрунтового ограждения. Затем в скважины устанавливают термодатчики 5 для дистанционного контроля температурного поля в ледопородном ограждении впереди забоя и закрепляют их путем заполнения скважин водой с последующим охлаждением ее до замерзания за счет запасов холода ледогрунтовой оболочки. С помощью датчиков фиксируют границы ограждения.

Далее в пределах установленных границ ледопородного ограждения последовательно по периметру выработки в грудь забоя бурят наклонные скважины 6 нефтяного диаметра с установкой в каждой из них перфорированных обсадных труб 7 (фиг.2, фиг.3).

После обжатия труб ледогрунтовой оболочкой в каждую из них вводят коаксиально установленную трубу с закрытым нижним концом 8, перфорированную особым образом, и по ней нагнетают под давлением воду с температурой 50-60^оС, которая размывает породы вокруг обсадной трубы и образует полость, заполненную оттаявшей и разрушенной породой (пульпой).

По режиму температурного поля в ледопородном ограждении контролируют режим подачи воды и размеры образующейся полости 9. Размеры полости доводят путем размыва до проектных параметров, т.е. в пределах границ устойчивости ледопородной оболочки полости.

Затем в полость через коаксиально установленную трубу под давлением подают холодную воду и вытесняют образованную пульпу через обсадную трубу в забой, а из забоя гидротранспортом на поверхность.

Далее через коаксиально установленную трубу 8 вводят закладочный материал на основе цемента 10, твердеющего при отрицательных температурах (фиг. 2). В течение всего процесса образования полости и ее закладки материалом в ней поддерживается гидростатическое давление для обеспечения устойчивости границ полости. Окончание процесса закладки контролируют по выходу закладочного материала из обсадных труб 7. Таким образом, проведя последовательно в каждой из скважин 6 вышеописанные операции, создают замкнутую кольцевую оболочку 11 из закладочного материала, замещая им почти полностью ледогрунтовую оболочку 1 впереди забоя по трассе тоннеля на глубину несколько большую, чем шаг заходки. Это обеспечивает компенсацию концентрации горного давления на кромке забоя, вызванного влиянием развития горных работ и разностью физико-механических свойств закладочного материала и ледогрунтовой оболочки. После этого производят выемку пород на глубину заходки с одновременным креплением ствола 12 (фиг.2).

В описанном выше порядке производится развитие горных работ поэтапно, перемещаясь параллельно продольной оси ствола в направлении сверху вниз заходками, вплоть до полного прохождения всей зоны неустойчивых водонасыщенных горных пород 2 из заглубления в водоупорный слой 13.

Сравнительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый способ проведения тоннелей отличается от известного новой совокупностью существенных признаков; что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "новизна".

Анализ известных из уровня техники способов проходки стволов в водонасыщенных породах показал, что некоторые введенные в заявляемое решение признаки известны.

Известен способ защиты подрабатываемых объектов (авт.св. N 1016538). Согласно способу до отработки пласта полезного ископаемого над водоупорным слоем создают предварительную полость и закачивают в нее под давлением воду, которую вытесняют закладочным материалом при заполнении им полости. Однако этот способ не предусматривает мер по защите подготовленной полости от влияния горного давления, а именно охрану полости от прорыва в нее вмещающих слабоустойчивых водонесущих горных пород путем создания ледогрунтовой оболочки и контроля ее размеров.

Кроме того, способ ориентирован на применение при ведении горных работ внутри и под водоупорным слоем выработкой. Размеры несущей кровли подрабатываемого слоя не гарантирует защиту выработки от проникновения в нее путем прорыва воды и слабоустойчивых водонасыщенных пород. Поэтому он не применим в горно-геологических условиях, на которые ориентирован предлагаемый авторами способ, из-за отсутствия в зоне горных работ естественной водоупорной защиты.

Известен способ проходки шахтного ствола в плывунистых грунтах (авт.св. N 1099086). Согласно способу, подводная выемка грунта, укрепление массива и гидроизоляционная защита перед креплением выработки производится из груди забоя. Однако этот способ применяется только для бетонирования днища ствола на окончательной фазе ведения горных работ по его сооружению. Этот метод не может быть использован при ведении горных работ при проходке ствола в целом, из-за отсутствия контроля по устойчивости ледогрунтовой оболочки при выемке пород из-за забоя в незакрепленном пространстве, что может привести к прорыву плывуна в выработку из незакрепленного пространства, т.е. не гарантирует безопасности ведения горных работ.

Таким образом, из уровня техники не известны технические решения, которые бы обеспечивали такой же результат за счет совокупности заявляемых средств.

Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "изобретательский уровень".

П р и м е р. Применение предлагаемого способа производят при проходке вентиляционного ствола тоннеля метрополитена, строящегося около зданий и сооружений.

Проходческие работы по сооружению ствола проводятся до глубины 3 м. Породная толща представлена на этом участке слоями параллельно залегающих сугленков разной степени консинстенции с вкраплением гальки и валунов. По данным разведочного бурения на глубине от 21 до 27 м вскрыты три водоносных горизонта, представленных мелкими песками, мощностью до 0,6 м. При прохождении этого участка горными работами и креплении ствола используется ледогрунтовое ограждение, сооружаемое путем внесения в толщу жидкого азота. Для его возведения по радиусу 3,0 м вокруг оси ствола проходят вертикальные скважины в количестве 28 шт. Затем в скважины через одну закачивают жидкий азот, через остальные газообразный. Обсадные колонны заизолированы и проперфорированы таким образом, что охлаждают породы на глубине 20-29 м. Режим подачи азота и охлаждение грунта такое, что вокруг ствола по его внешнему диаметру образуется ледогрунтовая оболочка толщиной не менее 1,3 м. Проходку и крепление ствола до глубины 19 м ведут традиционными методами, принятыми в практике Ленметростроя.

Затем в грудь забоя наклонно и веерообразно по вертикали производят бурение пробных скважин диаметром 50 мм, выбирают керн и визуально контролируют параметры ранее созданной ледогрунтовой оболочки. Далее в скважины устанавливают термодатчики для дистанционного контроля, заливают их холодной водой, где после ее замерзания они закрепляются. При этом регистрируют на плане геологического разреза геометрические данные о их нахождении в ледогрунтовой толще.

Затем по периметру выработки в грудь забоя бурят наклонные скважины диаметром 400 мм почти до границ ледогрунтовой оболочки, устанавливают в них перфорированные обсадные трубы с заглушенным концом. В каждую из них устанавливают коаксиально перфорированные трубы также с заглушенным концом.

Далее через эти трубы подают горячую воду 50-60^оС под давлением в 6 МПа. Затем образованную пульпу под тем же давлением вытесняют холодной водой и гидротранспортом подают на поверхность. Процесс повторяют до тех пор, пока вокруг скважины не образуется полость, размерами соизмеримыми с ледогрунтовой оболочкой. Параметры полости контролируют по данным термодатчиков.

Затем производят заходку и крепление ствола. Далее в образованную полость через коаксиально установленную трубу подают закладочный материал на основе цемента, твердеющего при отрицательных температурах, в результате чего в ледогрунтовой оболочке образуются цилиндры из закладочного материала. Эту операцию повторяют через одну скважину нефтяного диаметра, а затем ее производят с остальными скважинами. Таким образом, система цилиндров образует замкнутую кольцевую оболочку. Выше описанные операции повторяют на каждой заходке после выемки пород и крепления ствола до внедрения в водоупорный слой на глубине 29 м.

Предлагаемый способ позволит проводить тоннели при проходке неустойчивых водонасыщенных горных пород с обеспечением защиты зданий и сооружений от процесса сдвижения пород при ведении горных работ.

Формула изобретения

СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ТОННЕЛЕЙ В НЕУСТОЙЧИВЫХ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ, включающий сооружение льдогрунтового ограждения, бурение рядов скважин и подачу в них теплоносителя для оттаивания пород, вымывание их водой под давлением через скважины с образованием полостей, в которые нагнетают закладочный материал, причем ряды скважин бурят, перемещаясь параллельно оси ствола в направлении сверху вниз, отличающийся тем, что предварительно осуществляют бурение скважин дистанционного контроля с одновременным отбором керна для контроля размеров льдогрунтового ограждения, в скважины устанавливают термодатчики и заливают их водой, при этом бурение рядов скважин дистанционного контроля осуществляют из груди забоя веерообразно и наклонно, затем последовательно по периметру ствола в грудь забоя наклонно бурят скважины и устанавливают в каждой из них перфорированные обсадные трубы, причем в них вводят коаксиально внутренние перфорированные трубы с закрытым нижним концом, при этом в процессе нагнетания в них теплоносителя, оттаивания и вымывания пород водой контролируют термодатчиками параметры образовавшейся полости по температурному полю льдогрунтового ограждения впереди забоя, а после нагнетания закладочного материала, твердеющего при отрицательных температурах, осуществляют выемки пород для проходки ствола и проводят крепление ствола тоннеля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3